Предохранители. Короткое замыкание

Любая электрическая цепь рассчитана на определенную максимально допустимую силу тока. Если по какой-то причине сила тока в цепи превышает это значение, то мы можем столкнуться с неприятными последствиями. Провода начинают так сильно нагреваться, что их изоляция воспламеняется. Это может привести к пожару.

Что может служить причиной значительного увеличения силы тока в цепи? Во-первых, это может произойти при одновременном включении мощных приборов. Во-вторых, причиной резкого увеличения силы тока в цепи может являться короткое замыкание.

На данном уроке вы узнаете, что называется коротким замыканием и как оно связано с увеличением силы тока в цепи, а также познакомитесь с новым устройством, обеспечивающим безопасность использования электроприборов, — предохранителем.

{"questions":[{"content":"Резкое увеличение значения какой величины может привести к воспламенению проводки?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Силы тока","Сопротивления","Работы тока","Удельного сопротивления"],"answer":[0]}}}]}

Короткое замыкание

Начнем с определения.

Короткое замыкание — это соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи.

Такая ситуация может произойти при ремонте проводки, когда ток продолжает идти по цепи. Случайное соприкосновение с открытыми контактами приводит к короткому замыканию.

Мы уже сказали, что короткое замыкание является причиной резкого повышения силы тока в цепи. Чем объяснить, что при этом сила тока в цепи может достигнуть огромного значения?

Дело в том, что сопротивление проводника при коротком замыкании резко уменьшается. Вспомните закон Ома: $I = \frac{U}{R}$. При падении сопротивления сила тока увеличивается. При этом увеличение ее столь существенно, что провода накаляются и могут стать причиной пожара.

{"questions":[{"content":"При коротком замыкании происходит резкое[[choice-5]]","widgets":{"choice-5":{"type":"choice","options":["увеличение силы тока","увеличение сопротивления участка цепи","уменьшение силы тока","увеличение напряжения на концах участка цепи"],"answer":[0]}}}]}

Короткое замыкание при соприкосновении с открытыми контактами

Рассмотрим подробнее, как происходит короткое замыкание. Как может произойти соприкосновение с открытыми контактами? Например, это произойдет, если засунуть в розетку шпильку для волос или другой металлический предмет (НЕ СЛЕДУЕТ ПРОВЕРЯТЬ ЭТО НА ПРАКТИКЕ).

Допустим, что сопротивление шпильки в 10 раз меньше, чем среднее сопротивление электроприборов, подключаемых к этой сети: ($R_1 = \frac{R}{10}$). По закону Ома сила тока в таком проводнике увеличится:
$I_1 = \frac{U}{R_1} = \frac{U}{\frac{R}{10}} = \frac{10U}{R}$.

То есть сила тока увеличится в 10 раз:
$I_1 = 10I$.

А теперь взглянем на закон Джоуля-Ленца и количество тепла, которое выделяет проводник (шпилька) с током:
$Q_1 = (10I)^2R_1t = (10I)^2 \frac{R}{10}t = 10I^2Rt = 10Q$.

Получается, что количество теплоты тоже увеличится в 10 раз. В других ситуациях это увеличение может достигать и больших значений. Это как раз и способно привести к воспламенению.

{"questions":[{"content":"При коротком замыкании резко увеличивается не только сила тока, но и [[choice-9]]","widgets":{"choice-9":{"type":"choice","options":["количество теплоты, выделяемое проводником","сопротивление проводника","напряжение на концах участка цепи"],"answer":[0]}}}]}

Короткое замыкание при неисправностях проводки

Короткое замыкание может произойти и при повреждении проводов или их изоляции. Например, при подключении к сети электроприбора с подобными повреждениями.

Представьте, что вы включаете в розетку утюг мощностью $500 \space Вт$ (рисунок 1). Напряжение в розетке равно $220 \space В$.

Чему будет равна сила тока? По определению мощности тока: $P = UI$. Выразим отсюда силу тока и рассчитаем ее:
$I = \frac{P}{U}$,
$I = \frac{500 \space Вт}{220 \space В} \approx 2.3 \space А$.

Зная силу тока в утюге и напряжение, к которому он подключен, рассчитаем его сопротивление, используя закон Ома:
$I = \frac{U}{R}$,
$R = \frac{U}{I}$,
$R = \frac{220 \space В}{2.3 \space A} \approx 96 \space Ом$.

Сопротивление проводов при этом равно приблизительно $0.1 \space Ом$.

А теперь представьте, что провод утюга неисправен. Цепь замкнута и по ней течет ток, но он не протекает через утюг, а идет дальше по проводу до розетки — проходит путь AB (рисунок 2).

Возникает короткое замыкание. Сопротивление проводов очень мало по сравнению с сопротивлением утюга. Это приводит к резкому увеличению силы тока:
$I = \frac{U}{R}$,
$I = \frac{220 \space В}{0.1 \space Ом} = 2200 \space A$.

Это значение почти в 1000 раз больше, чем сила тока, возникающая при правильном подключении электроприбора в сеть. Это же и приводит к огромному увеличению количества тепла, выделяемого проводником, — он может начать плавиться или воспламениться.

{"questions":[{"content":"Короткое замыкание может произойти при[[choice-12]]","widgets":{"choice-12":{"type":"choice","options":["наличии повреждений проводов или их изоляции","соприкосновении с открытыми контактами другого проводника","подключении к сети большого количества мощных приборов","использовании проводником с большим удельным сопротивлением"],"explanations":["","","Это одна из причин резкого увеличения тока наравне с коротким замыканием.","Короткое замыкание является причиной резкого увеличения силы тока в цепи. При использовании проводников с большим удельным сопротивлением сила тока, наоборот, уменьшится."],"answer":[0]}}}]}

Предохранители

Для предотвращения резкого увеличения силы тока в цепи существуют специальные приборы — предохранители.

Предохранитель — это устройство, которое сразу отключает линию, если сила тока оказывается больше допустимой нормы.

Так, предохранители присутствуют во всех электроприборах — они защищают приборы от выхода из строя.

Один из самых распространенных видов предохранителей изготавливается из медной проволоки, покрытой оловом (рисунок 3).

Такие предохранители устанавливаются на входе электроприборов. При повышении силы тока проволока плавится и цепь размыкается. Поэтому такие предохранители называются плавкими.

Зачастую используются предохранители, основанные на тепловом действии тока (рисунок 4). При нагревании провода расширяются. Реагируя на эти изменения, предохранитель выключается автоматически.

Вспомните выражение «вышибло пробки». Так говорят, когда предохранители автоматически отключаются с характерным щелчком, и часть приборов (или все) в квартире перестают работать. Это происходит при перегревании проводов, например при одновременном включении большого количества техники. Эти предохранители находятся на специальном щитке (на вводе проводов в квартиру).

Предохранители имеют свой условный знак для обозначения на схеме электрической цепи (рисунок 5).

{"questions":[{"content":"Предохранители служат для[[choice-24]]","widgets":{"choice-24":{"type":"choice","options":["своевремнного размыкания цепи при резком увеличении силы тока","замыкания цепи при резком увеличении силы тока","охлаждения нагретых током проводников"],"answer":[0]}}}]}